热障涂层材料性能和失效机理研究进展

热障涂层金属粘结层制备与研究进展目录1. 内容概述 (2)1.1 热障涂层概述 (2)1.2 金属粘结层的重要性 (4)1.3 研究进展概览 (5)2. 金属粘结层的材料组成与性质 (6)2.1 NiCrBSi系高温合金粘结层 (8)2.2 高温插图合金粘结层 (9)2.3 粘结层成分与性能的关系 (10)2.4 粘结层材料的热力学与力学评估 (11)3. 金属粘结层的制备与制备技术 (13)3.1 等离子喷涂法 (15)3.2 电弧喷涂法 (16)3.3 其他制备技术与方法 (17)3.4 制备工艺参数优化 (18)4. 金属粘结层的性能测试与评价 (20)4.1 高温力学性能测试 (21)4.2 高温抗氧化性测试 (23)4.3 高温疲劳与蠕变性测试 (24)4.4 界面层质量与完整性评价 (25)5. 热障涂层的实际应用及案例分析 (26)5.1 燃气轮机中的应用 (27)5.2 航空发动机中的应用 (29)5.3 核反应堆中的高温插层涂层 (29)6. 结论与展望 (31)6.1 研究现状与趋势 (32)6.2 未来的发展方向 (33)1. 内容概述随着航空发动机、燃气轮机和核反应堆等高技术领域的发展，热障涂层在提高发动机和核反应堆等设备散热性能、延长使用寿命和提高安全性方面发挥着越来越重要的作用。

热障涂层金属粘结层作为热障涂层的重要组成部分，其制备工艺和性能直接影响到热障涂层的整体性能。

研究和开发高性能的热障涂层金属粘结层制备技术具有重要的理论意义和实际应用价值。

本文档旨在对热障涂层金属粘结层的制备与研究进展进行全面梳理和总结，包括国内外相关研究现状、制备方法、性能测试和发展趋势等方面的内容。

通过对热障涂层金属粘结层的研究，可以为我国高技术领域的发展提供有力的理论支持和技术保障。

1.1 热障涂层概述热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）是一类特殊的涂层材料，应用于高温环境中，如航空发动机、喷气发动机、燃气轮机和工业燃烧器的涡轮叶片等。

２５８　ＮＡＩＨＵＯＣＡＩＬＩＡＯ／耐火材料２０２１／３ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｈｃｌ．ｃｏｍ．ｃｎ稀土锆酸盐热障涂层材料的研究进展李迪　李享成　朱颖丽　陈平安　朱伯铨武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室　湖北武汉４３００８１摘　要：稀土锆酸盐热障涂层材料具有耐高温、抗烧结、低导热、高温相结构稳定和抗腐蚀性能好等优点，被认为是最具有潜力的新型高温热障涂层材料体系之一。

概述了目前关于这种热障涂层材料体系的晶体结构、物理性能、力学性能、抗热震性以及热腐蚀性等的研究进展，并进一步展望了稀土锆酸盐热障涂层材料的发展方向。

关键词：稀土锆酸盐；热障涂层；晶体结构；热腐蚀性中图分类号：ＴＢ３２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－１９３５（２０２１）０３－０２５８－０６ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１９３５．２０２１．０３．０１７ 热障涂层（ｔｈｅｒｍａｌｂａｒｒｉｅｒｃｏａｔｉｎｇｓ，ＴＢＣｓ）是指将具有低导热、耐高温、耐腐蚀等优异性能的陶瓷材料沉积在耐高温金属或超合金的表面，从而降低合金温度和提供力学和化学防护。

ＴＢＣｓ的发展经历了四个阶段，前三阶段主要是从２０世纪６０年代的镍铝基化合物涂层到２０世纪７０年代改进的铝化物，再到２０世纪８０年代的ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ为Ｎｉ、Ｃｏ或Ｎｉ与Ｃｏ）热障涂层；第四阶段为２０世纪９０年代之后的氧化锆基陶瓷热障涂层，即氧化钇稳定的氧化锆（ＹＳＺ）。

ＹＳＺ主要是以氧化锆为基础，加入部分氧化钇，提高了涂层的稳定性，黏结层采用ＭＣｒＡｌＹ，制成经典的热障涂层双层结构，该类涂层的应用范围比之前有了广泛的提高［１］。

研究表明通过等离子喷涂（ＡＰＳ）技术制得的ＹＳＺ热障涂层表现出耐热和耐腐蚀等优良性能［２］。

但ＹＳＺ热障涂层长期在１２００℃以上的高温使用，会发生相变，涂层的性能发生急剧恶化，导致热循环寿命降低；另外，涡轮发动机使用的燃料成分里面通常会有钠和硫等杂质，而这些杂质最后会以硫化钠的形式发生沉积，Ｙ２Ｏ３容易遭到腐蚀而从ＺｒＯ２中析出，最终导致涂层剥落失效，已很难满足涡轮进口温度进一步提高的需要。

航空发动机热障涂层材料体系的研究航空发动机热障涂层材料体系的研究航空发动机热障涂层材料体系的研究一直是航空工程领域的关键课题。

随着发动机设计的不断进步，发动机的工作温度也越来越高，因此对热障涂层材料体系的研究和开发变得尤为重要。

热障涂层材料体系是一种能够在高温环境下保护发动机组件不受热损伤的表面涂层。

它的主要作用是降低发动机工作温度，减少热膨胀、热应力和热疲劳等问题，从而提高发动机的性能和寿命。

目前，航空发动机热障涂层材料体系的研究主要集中在两个方面：涂层材料和涂层结构。

涂层材料的研究主要包括陶瓷材料和金属材料。

陶瓷材料因其优异的耐高温性能而受到广泛关注，如氧化铝、氧化锆等。

而金属材料由于其良好的导热性能，在一些特殊应用中也被广泛使用。

研究人员通过改变材料的组分和结构，提高其抗高温氧化、抗热应力和抗热疲劳等性能，以满足航空发动机的要求。

涂层结构的研究包括单层涂层和多层涂层。

单层涂层是指将一种材料直接涂覆在基材表面，其优点是制备简单、成本较低。

然而，由于单层涂层的导热性能较差，其在高温环境下的保护效果有限。

因此，研究人员开始将多层涂层应用于航空发动机热障涂层中。

多层涂层由多种材料层叠组成，可以兼顾不同材料的优点，提高涂层的导热性能和耐热性能。

此外，航空发动机热障涂层材料体系的研究还包括涂层制备工艺的研究。

制备工艺对涂层的性能和结构有着重要影响，因此研究人员致力于寻找更加先进、高效的制备技术，如等离子喷涂、物理气相沉积等。

总而言之，航空发动机热障涂层材料体系的研究是航空工程领域的一项重要研究课题。

通过不断改进涂层材料和涂层结构的性能，并研究制备工艺的先进化，可以提高发动机的性能和寿命，为航空工程发展做出贡献。

锆酸镧热障涂层研究本文旨在探讨锆酸镧热障涂层的研究进展，首先简要介绍锆酸镧热障涂层的基本概念、性能特点及其应用领域，然后阐述其在研究中的应用和意义，最后展望其未来发展趋势。

一、锆酸镧热障涂层概述锆酸镧热障涂层是一种新型的高温防护涂层，具有优良的热稳定性和隔热性能。

该涂层主要由镧系元素和锆酸根离子结合而成，通过采用溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、热喷涂法等工艺制备。

锆酸镧热障涂层在高温环境下能有效降低被涂覆材料的热损失，提高其抗高温氧化和腐蚀的能力，具有重要的应用价值。

二、锆酸镧热障涂层的应用和意义1、航空航天领域：航空航天器在高速飞行过程中，机体表面会受到高温气流冲击，导致高温氧化和热腐蚀等问题。

锆酸镧热障涂层能够为航空航天器的关键部位提供有效的防护，延长其使用寿命。

2、能源领域：锆酸镧热障涂层在能源领域也有广泛应用，如燃气轮机、蒸汽轮机等高温设备的防护。

该涂层能够降低设备表面的热量损失，提高设备的能源利用效率和可靠性。

3、其它领域：除上述领域外，锆酸镧热障涂层还在玻璃、陶瓷、金属等材料表面涂层防护中表现出良好的应用前景。

此外，该涂层在光学、电子等领域的低温保温和高温抗氧化方面也具有重要的应用价值。

三、锆酸镧热障涂层的未来发展随着科学技术的发展，锆酸镧热障涂层在研究和应用方面仍具有广阔的发展空间。

未来，研究者们将致力于提高该涂层的综合性能、拓展其应用领域以及探索新的制备方法。

1、性能优化：通过调整涂层的成分和结构，以提高其在高温环境下的稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性，从而延长其使用寿命。

此外，研发具有更高热导率的锆酸镧热障涂层材料也将成为未来的一个研究方向。

2、应用领域拓展：目前，锆酸镧热障涂层已应用于航空航天、能源等领域。

未来，可以进一步探索该涂层在新能源、汽车、工业炉窑等更多领域的应用，以促进其工业化进程。

3、新制备方法探索：为了满足不同基材和复杂形状构件的涂层制备需求，研究人员将致力于开发新的制备方法，如纳米注射技术、离子注入技术等，以实现锆酸镧热障涂层的高效制备和应用。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空器的重要组成部分，其性能直接影响到飞机的安全和经济性。

涡轮叶片作为航空发动机的重要组件之一，承受着高温和高速气流的冲击，对其表面进行热障涂层的研究成为了发展的热点之一。

本文将综述航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状，并对未来的研究方向进行展望。

二、背景在航空发动机中，高温气流是涡轮叶片面临的主要问题之一。

高温气流的冲击会导致涡轮叶片的热膨胀、氧化和烧蚀等问题，进而降低了发动机的性能和寿命。

为了解决这一问题，研究人员提出了热障涂层的概念。

三、热障涂层的种类热障涂层可以分为传统热障涂层和新型热障涂层两大类。

1. 传统热障涂层传统热障涂层主要包括YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) 和 GCO (Gadolinium Cerium Oxide) 等。

YSZ涂层被广泛应用于航空发动机中，具有优异的热障效果和氧化屏障性能。

GCO涂层相比于YSZ涂层，具有更好的机械和热损伤修复能力，但研究相对较少。

2. 新型热障涂层新型热障涂层主要包括二氧化铝涂层、钨合金涂层等。

经过改良的二氧化铝涂层具有更好的耐腐蚀性能和较低的热导率，但是其热障效果相对较差。

钨合金涂层则具有更好的高温性能和耐烧蚀能力，但是涂层的结构和制备工艺仍面临挑战。

四、热障涂层的制备工艺热障涂层的制备工艺对涂层性能的影响至关重要。

目前，常见的热障涂层制备工艺包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和高速火焰喷涂（High VelocityOxygen/Fuel，HVOF）等。

1. PVDPVD技术通过物理手段将材料从固态直接转变为气态，然后沉积到基底上。

PVD制备的热障涂层具有致密的结构、低孔隙率和较高的结合强度，但是制备成本较高。

2. CVDCVD技术是利用化学反应将气态前驱体沉积在基底上，形成热障涂层。

热障涂层隔热性能研究热障涂层隔热性能研究热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是由陶瓷氧化物面层和起粘结作用的底涂层组成的防热系统。

它利用陶瓷材料优异的耐高温、耐冲刷、抗腐蚀和低导热性能,提高金属部件的许用工作温度,增强热端部件的抗高温能力,延长热端部件的使用寿命,提高发动机的工作效率。

由于热障涂层带来的隔热效果直接影响发动机的性能和可靠性,因此准确测定TBCs的隔热效果对于发动机设计和探索降低TBCs热导率的途径都非常关键,已经成为热障涂层最重要的性能要求之一。

鉴于传统的在发动机装机后实际运行时测试热障涂层隔热效果这一方法存在诸多弊病,如测试周期长、耗资巨大、方法复杂、风险大等,因此,建立一种在装机前进行发动机关键部件热障涂层隔热效果的表征与测定方法已非常必要和迫切。

目前广泛使用的热障涂层材料是氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ),该材料的使用温度不能超过1200℃,并且采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)时热导率偏高,不能满足未来高性能航空发动机的要求。

因此,研究新结构或新材料热障涂层已成为未来高性能航空发动机研制的关键问题。

采用激光脉冲法测定涂层热物理性能,结合涂层厚度、冷气流量、使用环境温度等对YSZ热障涂层的隔热效果进行表征和评定,并与隔热温差实测结果进行对比研究;同时研究温度、热历史、尺寸效应和激光穿透性问题对热障涂层热扩散系数等热物理性能的影响,探索解决激光脉冲法中存在的激光穿透性问题的途径。

结果表明,采用热物理性能法得到的隔热效果计算结果与实测结果吻合较好,能够满足隔热效果工程评定要求。

随测试温度升高,EB-PVD热障涂层的宏观热扩散系数先减小再增大,但在整个测试温度范围内,其幅度不大。

热处理使EB-PVD热障涂层中产生了垂直于基体表面的微裂纹,导致涂层热扩散系数高于沉积态。

喷Au加胶态石墨复合遮挡处理有效地解决了激光脉冲法测试涂层热扩散系数时的激光穿透性问题。

收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表面强化及器件制造.Email:x ingyazhe@gm 热障涂层的制备及其失效的研究现状邢亚哲,郝建民(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064)摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。

回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。

关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atingsXING Ya 2zhe,HAO Jian 2min(School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China)Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail.K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying;Fa ilure mechanism随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。

热障涂层CMAS腐蚀失效机制研究进展
高栋;刘燚栋;张国栋;黄爱华
【期刊名称】《装备环境工程》
【年(卷),期】2024(21)5
【摘要】随着航空发动机效率的持续提高,其涡轮前温度不断攀升,CMAS腐蚀失效已成为制约热端部件热障涂层可靠性和耐久性的关键问题之一。

基于此,首先简要分析了航空发动机CMAS的来源,然后从热力学、热化学和热物理3个维度,深入分析了热障涂层的CMAS腐蚀机制,阐述了上述3种模型下涂层与CMAS的作用机理。

在此基础上,提炼形成了热障涂层CMAS腐蚀的基本过程。

针对CMAS化学成分和涂层成分、涂层组织结构等影响热障涂层CMAS腐蚀行为的主要因素进行了探讨,进一步基于国内外提升涂层抗CMAS腐蚀能力的研究进展,归纳形成了5种技术途径。

最后,从支撑航空发动机的研制需求的角度,分析了当前抗CMAS涂层工程化应用研究中存在的主要问题,明确了抗CMAS涂层研制的工作重点。

【总页数】15页(P88-102)
【作者】高栋;刘燚栋;张国栋;黄爱华
【作者单位】中国航发商用航空发动机有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG174
【相关文献】
1.等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层沉积机理及其CMAS腐蚀失效机制
2.镀铝改性对PS-PVD 7YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀影响机制
2Ce2O7/YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀及机制研究
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热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种应用广泛的高温结构表面涂层，具有优异的隔热性能和耐热性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。

本文将就热障涂层的研究现状、材料组成、制备工艺以及在不同领域的应用进行探讨。

一、研究现状热障涂层的研究始于20世纪60年代，随着材料科学和表面工程技术的不断发展，热障涂层的性能得到了显著提升。

目前，研究重点主要集中在提高热障涂层的隔热性能、耐热性能和耐氧化性能，以满足高温工况下材料的需求。

同时，研究人员还致力于开发新型热障涂层材料，提高其使用寿命和稳定性。

二、材料组成热障涂层通常由多层结构组成，包括热障层、粘结层和底层基材。

其中，热障层是热障涂层的核心部分，主要由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能和耐热性能。

粘结层用于连接热障层和基材，通常采用镍基合金等材料。

底层基材则是被涂覆热障涂层的金属基材，如钛合金、镍基合金等。

三、制备工艺热障涂层的制备工艺主要包括热喷涂法、物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）等。

热喷涂法是目前应用最为广泛的制备工艺，通过喷涂设备将预先制备好的涂层材料喷涂在基材表面，形成热障涂层。

PVD和CVD则是通过物理或化学方法在基材表面沉积涂层材料，制备出高质量的热障涂层。

四、应用领域热障涂层在航空航天领域被广泛应用于航空发动机、涡轮叶片等高温零部件，能够有效提高零部件的耐热性能和使用寿命。

在汽车领域，热障涂层被应用于汽车发动机缸体、排气管等部件，提高了发动机的燃烧效率和排放性能。

此外，热障涂层还被应用于能源领域的燃气轮机、燃烧器等设备，提高了设备的工作效率和稳定性。

综上所述，热障涂层作为一种重要的高温结构表面涂层，在各个领域都发挥着重要作用。

随着材料科学和表面工程技术的不断进步，热障涂层的性能将得到进一步提升，为高温工况下材料的应用提供更加可靠的保障。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状再探讨航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状再探讨导言：航空发动机的性能和可靠性对飞机的运行至关重要。

在发动机的高温工作环境下，涡轮叶片是承受最高温度和压力的部件。

为了保护涡轮叶片不受高温环境的损害，热障涂层技术应运而生。

本文将对航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状进行深入的探讨，并提供自己的观点和理解。

1. 热障涂层的概念和作用热障涂层是一层应用于涡轮叶片表面的陶瓷涂层，其主要作用是减少涡轮叶片的工作温度，防止高温热量对涡轮叶片的热疲劳和氧化损伤。

热障涂层的微孔结构可以形成隔热层，将热量和气体分离，有效降低涡轮叶片的工作温度。

2. 热障涂层的组成和制备方法热障涂层通常由两层构成：粘结层和陶瓷层。

粘结层用于将涂层牢固地附着在涡轮叶片表面，而陶瓷层则是实际起到隔热作用的层次。

常用的制备方法包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和等离子喷涂（Plasma Spraying）。

不同的制备方法有着不同的特点和应用范围。

3. 热障涂层的工作原理和性能评估热障涂层的工作原理主要有热障效应、潜热效应和氧化膜效应。

热障效应通过减缓热量传递来降低涡轮叶片的工作温度，而潜热效应则通过蒸发水分吸收热量来进一步降温。

氧化膜效应则是指陶瓷层表面形成的氧化膜可以起到一定的隔热作用。

热障涂层的性能评估可通过材料的热导率、热膨胀系数、气孔率等参数来衡量。

此外，热障涂层的附着力、抗剥离性和耐热性也是评估其性能的重要指标。

4. 热障涂层的改进和应用展望当前，热障涂层的改进主要集中在提高隔热性能、增强涂层的附着力和耐腐蚀性。

新型材料的研究和开发，如陶瓷复合涂层和导热性较低的材料，有望在提高热障涂层性能方面发挥重要作用。

此外，随着航空发动机工作温度的进一步提高，热障涂层技术也需要不断创新和改进。

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